利用nRF905进行射频识别（RFID）及其在系统健康管理方面应用探讨

胡阿丽　刘鹏　刘国辉

1概述

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别具备多目标识别、运动目标识别、远距离目标识别特点，操作快捷方便。

为了评估天线系统的运行健康状况、使用环境，越来越多的大型天线倾向于安装健康管理系统，用来采集检测点的温湿度数据、振动的情况、声音（噪音）的强度、电压电流的大小、继电器工作状态等等，另外有些系统采集的数据还包括GPS信号。为了获得这些信息，我们往往需要在主机和采集设备之间布设电缆。射频识别的引入，不需要布设此类电缆，降低系统的成本，减少滑环数量（部分需要滑环的系统），增强系统的可靠性，增强系统美观性等等。

2系统设计

2.1系统组成

基于天线系统健康管理监测系统是一个星状结构的网络，中央节点是连接终端设备的接收模块及终端，结构简单，便于管理，控制简单，便于建网，易于扩展;网络延迟时间小，传输误差低。下图为监测设备示意图。图中，包括温度监测、湿度监测、GPS信号获取、电压监测、电流检测、振动监测、开关状态监测、噪音监测等等。在软件设计中需要考虑在发射端接收采集设备采集的有效的数字信息后对收到的数字信息加入该设备的ID号，在接收端，判断ID号，选择相对应的信号处理方式，解出对应的有效信息。

2.2单通道发射接收组成

本文1对1接收发射、接收以温度采集为例，由单片机（微处理器），单片射频收发器nRF905、温度传感器模块、显示屏（终端）等组成一个微型系统。系统组成如图1所示。

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，GFSK滤波（高斯低通滤波）、曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。工作在433/868/915MHz国际通用的ISM频段，传送速率可达100kbit/s，最大发射功率+10dBm。

具备四种工作模式。ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。

由于以往的温度传感器输出的是模拟量，我们还要增加额外的 A/D和 D/A 芯片进行转换，DS18B20数字温度传感器具备独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现双向通信;支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温;工作电压3.0～5.5V/DC;使用中不需要任何外围器件;测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

MCU采用常见的STC89C52单片机，指令代码完全兼容8051单片机。

终端采用普通的计算机或显示屏。测试用数码管测试。

天线选用市面上常见的高频橡胶天线，全向天线，增益3～3.5dB。

2.3传输链路分析

在发射端微处理器通过接口（串口、并口、SPI口等）接收采集设备采集的有效的数字信息，对收到的信号进行处理，生成有效载荷，以SPI接口送给单片射频收发器nRF905，nRF905将收到的有效载荷进行GFSK调制、曼彻斯特编码、混频（内置频综）、功率放大后，经由天线发送出去。

在接收端，天线将接收的信号放大后送给nRF905，nRF905将收的信号经低噪声放大、混频、中频滤波、解调、曼彻斯特译码以及校验后，将有效载荷送给微处理器，微处理器根据约定对有效载荷进行处理，送给终端，实现诸多功能，例如继电器动作、电流电压显示、温湿度显示、声音提醒、指示灯警报、I/O切换等等。

此通信系统的通信频率可设，nRF905可工作433MHz、868MHz、915MHz这三个频段，具备512个通信频道，传送速率50kHz，发射功率10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm可设;天线参数如表1所示，在工作在对此通信系统的传输质量与传输距离进行分析。

无线网络系统的传输距离或覆盖范围受多种因素的影响，除了信号源的发射功率、天线的增益、接收设备的灵敏度、频率、自由空间衰减、噪声干扰外，还有现场环境的影响，例如建筑物、树木和墙壁的遮挡，人体、气候等对电磁波的衰减，纯粹自由空间的传输环境在实际应用中是不存在的。由于无线网络系统是一个实际应用的工程，必须在实施前进行设计和预算，必须事前对无线网络系统的传输距离或覆盖范围进行估算.

无线传输距离为：

Pr（dBm）= Pt（dBm）- Ct（dB）+ Gt（dB）- FL（dB）+ Gr（dB）- Cr（dB）-

Pr：接受端灵敏度

Pt：发送端功率

Cr：接收端接头和电缆损耗

Ct：发送端接头和电缆损耗

Gr：接受端天线增益

Gt：发送端天线增益

FL：自由空间损耗

FL（dB）=20 lg d（km）+20 lg f（GHz）+ 92.44

d是兩点之间的距离

f是频率=0.433 GHz /0.868 GHz /0.915 GHz）

假定大气、遮挡物、多径等造成的损耗为25，发送、接收接头和电缆损耗0.5dB，按照接收端误码率 0.1%时接收机灵敏度 -100dBm进行计算，当nRF905与天线阻抗匹配良好时，接收距离最长不超过下表，实际工作中，由于环境、天线性能等条件的影响，接收距离会缩短，远远满足天线系统使用要求.

2.4接口设计

MCU与温度传感器DS18B20：单线制串行接口;

MCU与nRF905接口：SPI接口;

MCU与数码管：并口连接;

nRF905与天线：SMA接口。

3电磁兼容分析

国家标准GB/T4365-1995《电磁兼容术语》对电磁兼容所下的定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。” 以nRF905为中心作为信号的发射、接收的信道设备的小型通信系统，是一种非接触式短距离无线通信系统，将其应用到天线系统的健康管理监测中，有必要分析其抗干扰的能力和对外骚扰的程度。

对外作为干扰源，它属于无线电发射器，为辐射干扰，可能造成的干扰是对谐波对电机的影响和对信号传输电路的影响。对天线信号传输电路的影响，该系统工作频率为433/868/915MHz，当天线不同时工作在这三个频段时，信号的带宽仅为100kHz，自带滤波器，经测试没有二次谐波;一般情况下，该系统安装在天线的反面而不是正面，其基波信号不会产生功能性干扰;也不会有谐波及乱真发射构成非功能性的无用信号干扰。nRF905的发射自带滤波，而我们的天线系统经常工作在L波段以上的频段，不影响天线系统使用。

作为接收设备，当天線不同时工作在这三个频段时，nRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控（GFSK）调制方式，且自带滤波功能，抗干扰能力强，能很好地减少噪声环境对系统的干扰。

4实验及结论

在2.4米S频段静中通天线系统中做过两个实验，通过采集天线座的温度，传递给10米外的接收设备中，天线系统及温度采集、传输、识别均工作正常;通过识别天线上的某一输入（手动按键输入），传输给10米外的方舱中，触动声音报警装置，功能正常。我们计划在下个2.4米车载使用GPS的天线系统中，识别GPS时间及位置信号，无线传输给上位机使用。

故在天线系统健康管理系统中，由于nRF905具备多目标识别能力;作为射频识别发射及接收端，系统组成简单，工作流程简单，可靠性高，使用非常方便;监测的这些发射端设备距离接收端设备的传输距离最大十几米，nRF905的传输距离远远满足传输要求;而且组网易实现。在降低系统的成本，减少滑环数量（部分需要滑环的系统），增强系统的可靠性，增强系统美观性方面，我们完全可以考虑利用nRF905射频识别在天线系统健康管理方面来发挥它的作用。

参考文献

[1] 曹学友，《可视距无线传输距离的影响因素分析》，电子世界